小議建筑仿生結(jié)構(gòu)形態(tài)設(shè)計

余建國

【摘 要】大自然總是創(chuàng)造最合理的結(jié)構(gòu)形式，形態(tài)萬千的自然界蘊藏著無窮優(yōu)美的、可供選擇的合理結(jié)構(gòu)，自然界的創(chuàng)造能力常常要超越人類的設(shè)計和想象能力。利用仿生學的原理，我們可以更好地理解和發(fā)展空間結(jié)構(gòu)。本文主要介紹了建筑結(jié)構(gòu)形態(tài)設(shè)計的概念內(nèi)涵及其設(shè)計方法。

【關(guān)鍵詞】建筑工程；仿生結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)形態(tài)設(shè)計

一、建筑結(jié)構(gòu)形態(tài)設(shè)計的概念

結(jié)構(gòu)形態(tài)處于建筑學和結(jié)構(gòu)工程專業(yè)的交叉領(lǐng)域，是研究結(jié)構(gòu)與建筑有機結(jié)合的基礎(chǔ)。以結(jié)構(gòu)形態(tài)設(shè)計來啟動建筑創(chuàng)作的研究是個具有挑戰(zhàn)的嶄新課題。以建筑功能、建筑藝術(shù)和建造成本為依據(jù)，遵循結(jié)構(gòu)傳力基本規(guī)律，將各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件按照一定的邏輯語法組織成一個整體受力的系統(tǒng)，稱為結(jié)構(gòu)形態(tài)設(shè)計。探討結(jié)構(gòu)形態(tài)設(shè)計方法，根本目的即是通過結(jié)構(gòu)構(gòu)思啟動建筑形式的生成，為建筑形式創(chuàng)新開拓新的思路。結(jié)構(gòu)是圍合空間的基本手段，為塑造合用空間服務，所以建筑合用空間和理想功能是結(jié)構(gòu)形態(tài)設(shè)計的首要依據(jù)。合理的結(jié)構(gòu)形態(tài)設(shè)計方案，能盡可能地發(fā)揮材料的性能，從而節(jié)省大量的材料費用。大量實踐說明，結(jié)構(gòu)實效與材料成本是成反比相關(guān)，與設(shè)計建造維護成本是成正比相關(guān)，總成本在某一點達到最低，這一點的結(jié)構(gòu)實效最合適。因此，設(shè)計師必須在結(jié)構(gòu)形態(tài)設(shè)計的初期就大致估算各項成本的比例，找出這個理想的平衡點。

二、建筑仿生結(jié)構(gòu)形態(tài)設(shè)計

自然界是人類最好的老師，人類在建筑技術(shù)上所遇到的許多難題，自然界中早已有了類似的解答，如蜂房結(jié)構(gòu)，其斷面為規(guī)則的六邊形，這種劃分方式比人為的建筑中常用的四邊形網(wǎng)格節(jié)省20%的材料；小麥稈由下至上間距逐漸增大的莖節(jié)，有效地減少了彎矩的作用，使其高徑比高達500，而大多數(shù)高層建筑的高寬比不超過8，又如柔薄的花瓣常常依靠其形體的曲面或皺折來增加剛度，花瓣的前端往往是空間曲面形態(tài)，具有良好的空間受力能力。由此可見，自然界往往以最完美的方式解決了功能、形式和結(jié)構(gòu)之間的矛盾，而對于結(jié)構(gòu)工程師和建筑師而言，自然的每一處表現(xiàn)都是理解和應用形式創(chuàng)造的普遍法則，每一種技術(shù)形式都能從自然形式中推出。因此，自然結(jié)構(gòu)是研究有關(guān)功能、形態(tài)及結(jié)構(gòu)的聯(lián)系的重要依據(jù)，是研制開發(fā)技術(shù)結(jié)構(gòu)的合理比擬物，模擬自然結(jié)構(gòu)即結(jié)構(gòu)仿生的方法是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)思目標的有效手段。

（一）技術(shù)構(gòu)成

任何復雜的結(jié)構(gòu)都可以看成是有一系列相對簡單的結(jié)構(gòu)單元通過一定的組合方式組成的。這些能夠維持結(jié)構(gòu)形態(tài)穩(wěn)定的最小單元，我們稱之為：元。而單元之間的組合方式，我們稱之為：動作。一個具體的結(jié)構(gòu)形態(tài)可能是一個元通過完成一個動作形成，也可能是通過完成多個動作形成，或者是多個元共同完成一系列組合動作而形成。動作是技術(shù)構(gòu)成的重要手段。動作及其組合千變?nèi)f化，但歸納起來，基本可以分為陣列、旋轉(zhuǎn)、交織等幾種類型。陣列是指元在水平或垂直方向依次首尾連接，形成新的結(jié)構(gòu)整體；旋轉(zhuǎn)是指元圍繞一幾何中心成環(huán)狀排列，兩側(cè)連接形成新的結(jié)構(gòu)整體；交織是指元同時在水平的兩到多個方向（縱、橫、斜）依次首尾連接，形成新的結(jié)構(gòu)整體。

元與動作的構(gòu)思是同步進行的，并沒有先后順序。建筑師最初可能只有一個空間意向，這個意向主要來自于對跨度、高度和基地形狀的回應，再根據(jù)這個意向進一步確定元和動作的具體形式。一般來說，基地的形狀往往會影響動作的選擇，比如矩形的基地更適合采用陣列的動作，圓形的基地則宜采用旋轉(zhuǎn)動作，而交織動作則適用于不規(guī)則的基地形狀。

復合元是結(jié)構(gòu)構(gòu)成的創(chuàng)新的基礎(chǔ)。不同的結(jié)構(gòu)體系的基本元的受力性能差別很大，它們各有所長。如拱擅長受壓、索擅長受拉。在實際工程中，采用僅有基本元構(gòu)成的純凈的結(jié)構(gòu)形式，并不總是經(jīng)濟合理的。而且如果局限于結(jié)構(gòu)選型的思維慣性，結(jié)構(gòu)造型的自由度也大打折扣。固可將兩個或者多個不同基本元結(jié)合在一起而構(gòu)成擁有新機制的、獨特的、有效的復合元。為了構(gòu)成獨特的有效的復合元，可以通過兩種基本的動作來實現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)家族元的結(jié)合：重疊是指不同基本元以平行方式放置在整個起作用的長度上來共同執(zhí)行力量的改向和力流的傳遞。重疊可以是上下平行，也可以是側(cè)面平行；而串連是指根據(jù)力學需求，在結(jié)構(gòu)作用的不同區(qū)域選用不同的基本元，基本元與基本元之間是串連連接的，依次達到力量改向的目的?；驹臄?shù)量至少是兩個，也可以是多個；而重疊+串連，顧名思義新體系是基本元通過完成這兩種動作形成的。

（二）幾何推演

建筑上的結(jié)構(gòu)形態(tài)是結(jié)構(gòu)通過不同的平衡狀態(tài)把承受的荷載轉(zhuǎn)移至其他方向所推演出的技術(shù)圖形。結(jié)構(gòu)形態(tài)必須服從引力與力學的法則，擁有自己的構(gòu)成邏輯，因此能被建筑師計算、校對和領(lǐng)會。在結(jié)構(gòu)形態(tài)領(lǐng)域中的幾何學是正確確定在力的改向中具有獨特及有益特性的線、面、體。它們的形狀是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的絕對的基準。只有通過幾何學才能使物質(zhì)對象、空間形體或技術(shù)施工等設(shè)想的形態(tài)概念得以實現(xiàn)及確認；而且只有這樣才能使它們得以溝通、校核、優(yōu)化及最后能被實施。幾何學乃是建筑師與工程師為了實施設(shè)計及塑造功能所應具備的基本學科。

1.多面體的構(gòu)思

將多個多邊形進行折疊，可以生成三維的多面體，面與面的交線是各個結(jié)構(gòu)構(gòu)件的位置。多面體純粹的幾何形式往往天生就具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)效能，各個桿件均衡受力，最大限度地消除了應力集中。例如，1954年富勒為福特公司建造的紀念圓廳，即測地線穹頂?shù)膶嶋H應用。又如，伊甸園工程，八個巨大的聯(lián)體半球圍合成一個世界上最大的人造植物環(huán)境。能夠為樹木和沙漠巖生植物提供生長環(huán)境，并盡可能依靠可持續(xù)技術(shù)維持生態(tài)平衡。結(jié)構(gòu)構(gòu)思直接來自于富勒的測地線穹頂技術(shù)，無數(shù)個正六邊形拼接成外圈的半球穹頂，內(nèi)層采用三角形的受拉構(gòu)件，形成一個雙層的、無支撐的三維空間網(wǎng)架體系。半球與半球的連接處，運用管狀網(wǎng)格拱將相鄰的節(jié)點直接連接在拱上面。

2.曲面構(gòu)思

按照曲面的生成方法將曲面分為：單曲面、動跡曲面及放樣曲面三大類。如科尤皇家植物花園，這個溫室的結(jié)構(gòu)由兩個背對背的弧形面構(gòu)成，每個弧形面切割至圓柱的一部分，弧面上拉索的方向與圓柱的母線一致，而拉索的數(shù)量則依據(jù)結(jié)構(gòu)計算的結(jié)構(gòu)來確定?；∶媸峭ㄟ^兩段拱來限定形狀的，拱與拱之間張拉縱橫兩個方向的鋼索，鋼索施加預應力，一端錨固在混凝土地基上，另一段固定在上部拱上。兩個網(wǎng)殼在上部通過水平拉索聯(lián)系，相互抵消掉水平力，防止向外傾覆。還有很多類似的案例，直接截取錐面、柱面、球面或者圓環(huán)面的一段，作為結(jié)構(gòu)的整體骨架，具有非常明確的幾何規(guī)律，結(jié)構(gòu)構(gòu)件均依照描述幾何圖形的各種線的方向來布置，縱向和橫向的弧度都容易把握，從而大大減少了繁瑣的計算量。

3.不規(guī)則構(gòu)思

建筑技術(shù)的發(fā)展尤其是計算機輔助設(shè)計和計算機輔助制造技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應用，極大的擴展了建筑形式的自由，伴隨著這股技術(shù)躍進的風潮，非線性的建筑形式風靡一時。但是如果這些新奇的造型僅僅是用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)方式支撐的表皮，如果這些扭曲和折疊的背后沒有協(xié)調(diào)形式和結(jié)構(gòu)的內(nèi)在規(guī)律，那這些表面上的自由不過是風格的更迭而已。折疊、編織、混沌等哲學概念已經(jīng)逐漸滲透到建筑師的觀念和工作之中。拓撲幾何等現(xiàn)代幾何學的引入，有助于建筑師理解形式產(chǎn)生的內(nèi)在原理，避免從表面現(xiàn)象出發(fā)的主觀趣味對建筑形式的控制。

三、結(jié)語

建筑師和工程師們一直都在孜孜追求設(shè)計形態(tài)優(yōu)美的個性化建筑，而形態(tài)萬千的自然界蘊藏著無數(shù)優(yōu)美的可供模仿的形態(tài)，從微觀的原子、晶體，到宏觀的樹冠、鳥巢、貝殼、動植物的肢體等等都是值得我們借鑒和模仿的對象。大自然中的生物體是經(jīng)過億萬年優(yōu)勝劣汰后的優(yōu)勝者，它們自身的結(jié)構(gòu)已經(jīng)趨于完美，因此結(jié)構(gòu)仿生作為啟動結(jié)構(gòu)形態(tài)設(shè)計和建筑創(chuàng)作的一種行之有效的方法手段，它本身仍具有深入研究挖掘的價值。而把仿生學與建筑學和結(jié)構(gòu)工程學進行學科交叉，也是進一步發(fā)展建筑學和結(jié)構(gòu)工程學、促進建筑學與結(jié)構(gòu)工程學合作關(guān)系的一條有效途徑。